一體化懸浮焚燒處理高濃度含鹽有機(jī)廢液鍋爐技術(shù)

余傳林，王 祺，關(guān)小川，趙洪宇

(大連科林能源工程技術(shù)開發(fā)有限公司，遼寧 大連 116031)

0 引言

近年來(lái)，隨著農(nóng)藥、化工、煉油、造紙、印染等行業(yè)的快速發(fā)展，在其生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常產(chǎn)生大量的高濃度含鹽有機(jī)廢液，這些廢液中含有大量不能生物降解的有機(jī)物以及高濃度含鹽有機(jī)廢液排放到大自然中，必然對(duì)環(huán)境造成污染，破壞生態(tài)環(huán)境，損害人體健康，屬于危險(xiǎn)廢棄物，因而找到一種合理、有效的處理技術(shù)，從而減少該廢液對(duì)環(huán)境的污染，促進(jìn)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。目前，對(duì)工業(yè)廢液處理方法主要采用生物降解、向地下深處高壓注射和焚燒的方法。采用生物降解法無(wú)法有效處理高濃度含鹽有機(jī)廢液，國(guó)家環(huán)保法嚴(yán)禁向地下深處高壓注射法處理高濃度含鹽有機(jī)廢液。國(guó)內(nèi)通常采用焚燒處理的辦法，通過(guò)焚燒爐焚燒有毒廢液，使廢液在燃燒過(guò)程中分解成為無(wú)毒氣體，排入大氣。高濃度含鹽有機(jī)廢液焚燒鍋爐之所以成為環(huán)保焚燒的處理難題，重要原因在于：焚燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵泻写罅康腿埸c(diǎn)的堿金屬鹽類[2]。這些物質(zhì)都對(duì)爐襯和換熱面產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕、侵蝕作用，會(huì)造成焚燒爐爐襯被燒壞或受熱面結(jié)鹽堵塞，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正?？煽窟\(yùn)行[3-5]。

經(jīng)研究，一般氯化鈉鹽的熔點(diǎn)801 ℃，碳酸鈉的熔點(diǎn)857 ℃，而磷酸鈉在900 ℃即升華為氣態(tài)，氫氧化鈉的熔點(diǎn)318 ℃，熔點(diǎn)以上的鈉鹽具有較強(qiáng)的粘結(jié)性，只有熔點(diǎn)以下100 ℃的鈉鹽粘結(jié)性才減弱，具有脆性，可以采用相應(yīng)的吹灰措施予以清除。為此，要盡量將進(jìn)入鍋爐對(duì)流管束的煙氣溫度降到熔點(diǎn)溫度以下100 ℃才有利于鍋爐的安全可靠運(yùn)行[5-8]。

1 一體化懸浮焚燒高鹽高濃度有機(jī)廢液鍋爐的結(jié)構(gòu)

針對(duì)高濃度含鹽有機(jī)廢液的特點(diǎn)，特別是針對(duì)高濃度含鹽有機(jī)廢液所含堿金屬鈉鹽熔點(diǎn)低、對(duì)耐火材料腐蝕性強(qiáng)、粘接性較強(qiáng)、余熱回收困難等特性，結(jié)合環(huán)保要求，研究開發(fā)提供了一種耐鈉鹽腐蝕、液態(tài)排渣順利、余熱回收效率高、合理有效消除或避免熔鹽對(duì)爐體的侵蝕與腐蝕、避免熔鹽對(duì)鍋爐受熱面的粘接性、確保鍋爐高效傳熱換熱的一體化懸浮焚燒鍋爐。

如圖1，一體化懸浮焚燒高濃度含鹽有機(jī)廢液鍋爐采用倒“U”型膜式壁鍋爐結(jié)構(gòu)，一側(cè)為膜式壁敷設(shè)衛(wèi)燃帶的絕熱燃燒室，另一側(cè)為膜式壁爐墻圍成的急冷室，且在急冷室內(nèi)布置多組膜式壁管屏，絕熱燃燒室與急冷室為膜式壁敷設(shè)衛(wèi)燃帶的煙氣轉(zhuǎn)向室，絕熱燃燒室與煙氣轉(zhuǎn)向室構(gòu)成焚燒爐膛，煙氣轉(zhuǎn)向室設(shè)置一個(gè)較大的熔鹽槽，熔鹽槽的側(cè)墻裝設(shè)再加熱燃燒器，對(duì)沉積熔鹽槽的熔鹽再加熱，使其充分達(dá)到液態(tài)，便于熔鹽流淌順利而實(shí)施液態(tài)排鹽的目的。熔鹽槽底部中心部位，設(shè)置一特殊熔鹽溢流裝置，熔鹽溢流裝置凸出部分的中心部位根據(jù)熔鹽流量設(shè)置一個(gè)熔鹽溢流孔，該熔鹽溢流孔遠(yuǎn)小于溢流防護(hù)筒體的內(nèi)徑，熔鹽溢流過(guò)程不會(huì)粘附到溢流防護(hù)筒體的內(nèi)壁面上，確保液態(tài)熔鹽排放順暢。

圖1 一體化懸浮焚燒處理高濃度含鹽有機(jī)廢液鍋爐

在倒“U”型膜式壁鍋爐結(jié)構(gòu)的膜式壁敷設(shè)衛(wèi)燃帶的絕熱燃燒室一側(cè)，爐頂裝設(shè)霧化噴槍，頂噴高濃度含鹽有機(jī)廢液，即在焚燒鍋爐爐膛頂部布置高濃度含鹽有機(jī)廢液霧化噴槍霧化噴入焚燒鍋爐的爐膛內(nèi)進(jìn)行懸浮焚燒。主燃燃燒器以四角切圓的形式布置在爐膛的上部側(cè)面，四角切圓的方式布置燃燒器可相應(yīng)的增加煙氣的停留時(shí)間。助燃燃料輕柴油或天然氣通過(guò)燃燒器進(jìn)入焚燒鍋爐的爐膛內(nèi)焚燒，并保持焚燒鍋爐爐膛出口的煙氣溫度≥1 100 ℃，保證有機(jī)物徹底焚毀。合理的設(shè)置焚燒鍋爐爐膛的尺寸，爐膛內(nèi)有合理的煙氣流速(≤4.0 m/s)、足夠的煙氣停留時(shí)間(≥2 s)、較高的燃燒溫度(≥1 100 ℃)和穩(wěn)定的煙氣動(dòng)力場(chǎng)。

在由膜式壁敷設(shè)衛(wèi)燃帶組成的絕熱燃燒室的爐頂向燃燒室內(nèi)布置廢液霧化噴槍，可保證廢液均勻霧化后噴灑在絕熱燃燒室內(nèi)呈懸浮狀態(tài)，為廢液在爐內(nèi)蒸發(fā)、干燥、有機(jī)物燃燒與燃燼、無(wú)機(jī)鹽固態(tài)相變?yōu)橐簯B(tài)等過(guò)程創(chuàng)造條件。廢氣燃燒器和助燃燃燒器分別根據(jù)各自的燃燒特性通過(guò)切圓燃燒方式在絕熱燃燒室側(cè)壁分上、中、下三層或根據(jù)廢液特點(diǎn)進(jìn)行多層布置，實(shí)現(xiàn)均勻燃燒以減少NOx生成量和加強(qiáng)煙氣擾動(dòng)增加煙氣在爐內(nèi)的停留時(shí)間。

采用在煙氣轉(zhuǎn)向室之后設(shè)置一個(gè)膜式壁爐墻圍成的急冷室，急冷室內(nèi)裝設(shè)有大量膜式壁管屏，將氣態(tài)或液態(tài)熔鹽急冷到對(duì)后級(jí)其他部件無(wú)粘接危害的固態(tài)。且在煙氣轉(zhuǎn)向室和急冷室之間設(shè)置向內(nèi)部?jī)A斜一定角度的遮煙墻，該遮煙墻既起到減小急冷室對(duì)焚燒爐膛的輻射吸熱造成降低爐膛溫度作用，有利于維持焚燒爐膛的高溫，有利于煙氣中的含鹽熔融物質(zhì)分離出來(lái)依靠重力流入熔鹽槽中，同時(shí)煙氣經(jīng)遮煙墻導(dǎo)致在焚燒爐膛內(nèi)停留時(shí)間增加，可以確保有機(jī)物徹底燃燼。

高濃度含鹽有機(jī)廢液在爐膛內(nèi)高溫焚燒后，其中的堿金屬鈉鹽類變?yōu)槿廴趹B(tài)，落入位于焚燒鍋爐底部的熔鹽池中。熔鹽池布置有一支補(bǔ)燃燃燒器，保證熔鹽池內(nèi)的熔鹽不凝渣，并且使熔鹽具有良好的流動(dòng)性。熔鹽通過(guò)熔鹽池流口流出落到布置一體化懸浮焚燒高濃度含鹽有機(jī)廢液鍋爐下部的雙軸冷卻器中進(jìn)行冷卻，冷卻后的固態(tài)鹽落入水冷式刮板除渣機(jī)中，輸送至打包車間進(jìn)行打包。

焚燒鍋爐爐膛出口1 100 ℃的高溫?zé)煔膺M(jìn)入到布置在焚燒鍋爐后部的冷卻室。由于高濃度含鹽有機(jī)廢液中高含鈉鹽，鈉鹽的熔點(diǎn)較低，粘接性較強(qiáng)。為此在冷卻室中布置縱向沖刷的膜式壁屏式受熱面，以確保在冷卻室內(nèi)煙氣由1 100 ℃快速降低至550 ℃，使熔融態(tài)的熔鹽急劇冷卻到固態(tài)的脆性鹽。冷卻室中部分熔鹽粘接在膜式壁屏式受熱面上，首先膜式壁管屏內(nèi)汽水混合物溫度較低，可以將熔鹽急劇冷卻到固態(tài)，其次由于膜式壁屏式受熱面之間間距較大，熔鹽無(wú)法搭橋，不會(huì)堵塞煙氣流道，第三，熔鹽粘接至膜式壁屏式受熱面形成一層膜，達(dá)到一定厚度時(shí)在其自身的重力作用以及蒸汽吹灰器的作用下從膜式壁屏式受熱面上脫落并落回熔鹽池中。為滿足高濃度含鹽有機(jī)廢液焚燒的要求，設(shè)計(jì)冷卻室出口煙氣溫度為550 ℃，如果高濃度含鹽有機(jī)廢液含氯時(shí)，冷卻室出口接遏制二惡英生成的噴水降溫裝置，如果高濃度含鹽有機(jī)廢液不含氯時(shí)，冷卻室出口可進(jìn)一步增加鍋爐對(duì)流受熱面，盡可能利用煙氣余熱增加熱能回收。

2 一體化懸浮焚燒高鹽高濃度有機(jī)廢液鍋爐的主要技術(shù)創(chuàng)新措施

參考文獻(xiàn)[5]提出了一種處理高濃度含鹽有機(jī)廢液的焚燒工藝及焚燒鍋爐，存在以下缺點(diǎn)：(1)下行絕熱爐膛容積過(guò)大，為保證充分燃燒，輔助燃料消耗量過(guò)大，造成廢液處理成本增大；(2)下行絕熱爐膛與第一輻射冷卻室之間設(shè)置由若干片數(shù)的豎直與傾斜導(dǎo)流板，易造成導(dǎo)流板被熔鹽堵塞，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。(3)下行絕熱爐膛與第一輻射冷卻室之間無(wú)遮煙墻，為維持環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求的爐膛出口煙氣溫度≥1 100 ℃，必須消耗大量輔助燃料；(4)多級(jí)輻射冷卻室內(nèi)未布置鍋爐受熱面，僅靠爐墻回收余熱，余熱回收效率低，為滿足余熱回收要求，多級(jí)輻射冷卻室體積龐大，增加建設(shè)投資；(5)在煙氣低溫區(qū)僅布置縱向沖刷的對(duì)流管屏，縱向沖刷的對(duì)流管屏其傳熱效果差，造成排煙溫度高，鍋爐整體熱效率低。(6)下行絕熱爐膛底部側(cè)面設(shè)置敞口的液態(tài)排渣裝置，不僅造成爐膛漏風(fēng)，而且熔鹽通過(guò)溜鹽槽排出過(guò)程因降溫而使熔鹽粘附在溜鹽槽上，逐漸造成溜鹽槽堵塞無(wú)法正常工作。

一體化懸浮焚燒高鹽高濃度有機(jī)廢液鍋爐的主要技術(shù)創(chuàng)新措施：

(1)采用膜式水冷壁敷設(shè)衛(wèi)燃帶的絕熱燃燒室。一方面對(duì)膜式水冷壁敷設(shè)的衛(wèi)燃帶有冷卻保護(hù)作用，可以有效防止無(wú)機(jī)鹽對(duì)衛(wèi)燃帶耐火材料的侵蝕，增加爐墻的使用壽命；另一方面可以減小輔助燃料的消耗量，衛(wèi)燃帶的敷設(shè)可以使?fàn)t膛輻射傳熱面積減小到爐膛包覆面積的0.2～0.25倍，在爐膛溫度一定的情況下可以大大減小爐膛吸熱量，從而減少輔助燃料的消耗量。

(2)采用頂噴廢液霧化進(jìn)入爐膛，可以實(shí)現(xiàn)懸浮焚燒，充分的懸浮焚燒可以確保廢液中有機(jī)物徹底焚毀與燃燼。通過(guò)霧化噴槍將高濃度含鹽有機(jī)廢液霧化成細(xì)小顆粒，從爐膛頂部噴入爐膛進(jìn)行燃燒，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)、干燥、無(wú)機(jī)鹽的崩裂與晶格間有機(jī)物的析出、有機(jī)物燃燒與燃燼、無(wú)機(jī)鹽固態(tài)相變?yōu)橐簯B(tài)等過(guò)程，配之以四角切圓的輔助燃料燃燒方式，可以增減煙氣擾動(dòng)和煙氣在爐膛內(nèi)停留時(shí)間，為采用高溫焚燒方式環(huán)保處理創(chuàng)造了充分和必要條件。

(3)在絕熱燃燒室之后設(shè)置由膜式壁爐墻圍成的第一冷卻室，第一冷卻室內(nèi)置膜式壁管屏的掛屏受熱面。從爐膛進(jìn)入急冷室的高溫?zé)煔鈹y帶有熔融狀態(tài)的無(wú)機(jī)鹽細(xì)小顆粒，一方面粘附到膜式壁上形成一層膜，由于膜式壁的冷卻作用，這層鹽膜與膜式壁發(fā)生分離，在重力作用下會(huì)脫落，另一方面第一冷卻室膜式壁爐墻及內(nèi)置膜式壁管屏的掛屏受熱面輻射吸熱強(qiáng)度很大，瞬間將高溫?zé)煔饧崩浣禍?，煙氣中熔融狀態(tài)的無(wú)機(jī)鹽又相變到固態(tài)鹽。膜式壁剝落及煙氣溫度急冷形成的無(wú)機(jī)鹽依靠重力又回到絕熱燃燒室底部的熔鹽池中熔融溢流出爐外。通過(guò)第一冷卻室的急冷作用將氣態(tài)或液態(tài)熔鹽急冷到對(duì)后級(jí)其他部件無(wú)粘接性危害或者危害大大減小到可以采取吹灰措施消除的固態(tài)鹽，為系統(tǒng)安全可靠無(wú)堵塞運(yùn)行創(chuàng)造條件。

(4)在絕熱燃燒室和第一冷卻室之間設(shè)置遮煙墻，一方面減小了第一冷卻室對(duì)絕熱燃燒室的輻射吸熱，穩(wěn)定了絕熱燃燒室溫度，另一方面有利于絕熱燃燒室高溫?zé)煔獾臄_動(dòng)，增加煙氣在絕熱燃燒室中的高溫停留時(shí)間，同時(shí)，由于遮煙墻的煙氣導(dǎo)向作用和類似于一個(gè)大的文丘里的縮放作用，使得部分熔鹽分離落入熔鹽槽中熔融溢流出爐外。

(5)在絕熱燃燒室底部和絕熱燃燒轉(zhuǎn)向室底部設(shè)置一個(gè)較大的熔鹽槽，熔鹽槽的側(cè)墻裝設(shè)熔鹽再加熱燃燒器，對(duì)第一冷卻室沉積到熔鹽槽的固鹽再加熱，使其充分達(dá)到液態(tài)，便于流淌而實(shí)施液態(tài)排鹽的目的。

(6)整個(gè)熔鹽槽底部?jī)A斜集中到底部中心部位，在該中心部位專門設(shè)置一特殊結(jié)構(gòu)的熔鹽溢流裝置，液態(tài)鹽液在熔鹽槽中流向熔鹽溢流裝置凸出部分，熔鹽溢流裝置凸出部分的中心部位根據(jù)熔鹽流量設(shè)置一個(gè)熔鹽溢流孔，熔鹽通過(guò)該熔鹽溢流孔流出爐外，呈一條紅色液流流向雙軸冷卻器的熔鹽入口，過(guò)程不與任何管道接觸，避免了熔鹽粘接管道內(nèi)壁面，確保液態(tài)熔鹽排放順暢。

(7)對(duì)于高濃度含鹽非含氯有機(jī)廢液的焚燒，可在第一冷卻室之后設(shè)置多級(jí)冷卻室以及在冷卻室中布置對(duì)流蒸發(fā)管屏，一方面進(jìn)一步對(duì)第一冷卻室出來(lái)的550 ℃左右煙氣進(jìn)行熱能回收與煙氣深層降溫，另一方面煙氣經(jīng)過(guò)多級(jí)冷卻室進(jìn)行了多次180°轉(zhuǎn)彎，依靠慣性重力作用將煙氣中固態(tài)鹽粒分離出來(lái)。但對(duì)于高濃度含鹽含氯有機(jī)廢液的焚燒，第一冷卻室出來(lái)的550 ℃左右煙氣直接進(jìn)入采用噴水降溫方法的急冷塔中，直接噴水降溫，以遏制二噁英類物質(zhì)的形成。

(8)在多級(jí)冷卻室后部(煙氣溫度≤250 ℃的位置)煙道中設(shè)置省煤器、空預(yù)器等煙氣橫向沖刷對(duì)流受熱面，一方面煙氣橫向沖刷對(duì)流受熱面，最大限度的使煙氣與對(duì)流受熱面碰撞，實(shí)現(xiàn)固態(tài)鹽粒因?qū)α魇軣崦娴倪M(jìn)一步冷卻和碰撞失去動(dòng)力而分離出來(lái)，另一方面煙氣在此過(guò)程中溫度較低，煙氣中固態(tài)無(wú)機(jī)鹽顆粒粘附作用較弱，可以通過(guò)吹灰進(jìn)行清除，但煙氣橫向沖刷比縱向沖刷的傳熱系數(shù)要大好幾倍，可以更有效節(jié)省受熱面材料來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降低煙氣溫度和提高鍋爐熱效率。

(9)高濃度含鹽有機(jī)廢液燃燒產(chǎn)生的煙氣具有較強(qiáng)的腐蝕特性，在鍋爐給水進(jìn)入低溫省煤器之前將給水先導(dǎo)入給水預(yù)熱器，通過(guò)鍋爐產(chǎn)生的飽和或者過(guò)熱蒸汽對(duì)給水進(jìn)行加熱，對(duì)給水加熱到的溫度超過(guò)煙氣酸露點(diǎn)溫度以上，之后才導(dǎo)入低溫省煤器，確保低溫省煤器的可靠運(yùn)行。

3 結(jié)論

一體化懸浮焚燒處理高濃度含鹽有機(jī)廢液鍋爐突破了傳統(tǒng)的廢液焚燒和熱能回收型式，使高濃度含鹽有機(jī)廢液焚燒機(jī)理明確、原理清晰，與同類產(chǎn)品相比，鍋爐整體結(jié)構(gòu)型式新穎、更簡(jiǎn)單、完善、合理。(1)充分研究了高濃度含鹽有機(jī)廢液焚燒機(jī)理，創(chuàng)新了鍋爐結(jié)構(gòu)形式，采用倒“U”型膜式壁鍋爐結(jié)構(gòu)，解決了高濃度含鹽有機(jī)廢液焚燒難題;(2)創(chuàng)新了頂噴廢液側(cè)燒輔助燃料的懸浮室燃燃燒技術(shù)，以適應(yīng)高濃度含鹽有機(jī)廢液焚燒以完全達(dá)到有機(jī)成分徹底焚毀的環(huán)保效果；(3)創(chuàng)新了膜式壁爐墻及掛屏式受熱面、遮煙墻等鍋爐結(jié)構(gòu)技術(shù)，以適應(yīng)高含鹽高溫?zé)煔庖约案吆瑝m高溫?zé)煔獾臒崮芑厥涨议L(zhǎng)期可靠運(yùn)行的要求；(4)創(chuàng)新了液態(tài)排鹽技術(shù)，可以確?；厥盏臒o(wú)機(jī)鹽中TOC(固形碳)含量近0，保證回收高濃度含鹽有機(jī)廢液焚燒后的無(wú)機(jī)鹽可以直接循環(huán)利用，以實(shí)現(xiàn)廢物資源化目的。

該鍋爐不僅更好滿足國(guó)家對(duì)高濃度含鹽有機(jī)廢液的環(huán)保處理標(biāo)準(zhǔn)要求，還具有適應(yīng)高含鹽高溫?zé)煔獾臒崮芸煽炕厥找约盎厥崭呒兌葻o(wú)機(jī)鹽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不僅實(shí)現(xiàn)了環(huán)保、節(jié)能，還實(shí)現(xiàn)了廢物資源化，從高濃度含鹽有機(jī)廢液中提取了高純度無(wú)機(jī)鹽，供生產(chǎn)循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念。

從已投入使用的多套該型一體化懸浮焚燒處理高濃度含鹽有機(jī)廢液鍋爐運(yùn)行情況看，該鍋爐具有制造工藝簡(jiǎn)單、維修維護(hù)方便，能長(zhǎng)期、可靠、連續(xù)、安全、穩(wěn)定的環(huán)保運(yùn)行，應(yīng)用效果好，值得推廣應(yīng)用。